¿Cuál es el problema de que el azúcar no sea transparente? Dado que la luz que pasa a través de un trozo de azúcar se dispersa, se distorsiona y se desvía de una manera compleja. Sin embargo, como ha demostrado un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena (Viena) y la Universidad de Utrecht (Países Bajos), hay una clase de ondas de luz muy particulares para las que esto puede no aplicarse: para cualquier medio desordenado único, como el terrón de azúcar que acabas de colocar en tu café, se pueden construir haces de luz a medida que básicamente no se modifican. sino más bien atenuado por este medio. El rayo de luz pasa al médium y emerge al otro lado en la misma forma que si el médium nunca hubiera existido.
El concepto de «modos de luz invariantes de dispersión» también se puede aplicar a la investigación del interior de los objetos. Los hallazgos se han publicado recientemente en Nature Photonics.
Hay un número infinito de modos de onda potenciales
Del mismo modo, así como las ondas en una superficie de agua turbulenta pueden adoptar un número infinito de formas diferentes, las ondas de luz pueden adoptar un número infinito de formas diferentes. «Cada uno de estos patrones de ondas de luz cambia y se desvía de una manera muy específica cuando se envía a través de un medio desordenado», dice el profesor Stefan Rotter del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena.
Stefan Rotter está trabajando en modelos matemáticos para explicar los efectos de dispersión de la luz con sus colegas. El equipo del profesor Allard Mosk en la Universidad de Utrecht proporcionó las habilidades necesarias para crear y describir esos campos de luz dinámicos. «Como medio de dispersión de la luz, utilizamos una capa de óxido de zinc, un polvo blanco opaco de nanopartículas dispuestas completamente al azar», dice Allard Mosk, líder del grupo de investigación experimental.
Para empezar, debes definir con precisión esta capa. Envía señales luminosas muy precisas a través del polvo de óxido de zinc y controla cómo llegan al detector que hay detrás. A continuación, deducirá cómo todas las demás ondas se ven afectadas por este medio. También puede cuantificar qué patrón de onda se ve afectado por esta capa de óxido de zinc como si la dispersión de ondas estuviera completamente ausente en esta capa.
«Como pudimos demostrar, hay una clase muy especial de ondas de luz conocidas como modos de luz invariantes de dispersión», dice Stefan Rotter, «que producen exactamente el mismo patrón de onda en el detector, independientemente de si la onda de luz solo se envió a través del aire o tuvo que penetrar la complicada capa de óxido de zinc». «En el experimento, vemos que el óxido de zinc en realidad no cambia la forma de estas ondas de luz en absoluto; simplemente se debilitan un poco en general», explica Allard Mosk.
En el detector de luz, hay una constelación estelar
Con el número potencialmente infinito de ondas de luz potenciales, siempre se pueden encontrar todas estas formas de luz invariantes de dispersión, sin importar cuán únicas e inusuales sean. Puede obtener una forma de onda invariante de dispersión combinando algunos de estos modos de luz invariantes de dispersión en la dirección correcta.
«De esta manera, al menos dentro de ciertos límites, eres bastante libre de elegir qué imagen quieres enviar a través del objeto sin interferencias», dice Jeroen Bosch, un estudiante de doctorado que trabajó en el experimento. «Para el experimento, usamos la Osa Mayor como constelación de ejemplo. De hecho, independientemente de si la onda de luz es dispersada por la capa de óxido de zinc o no, fue posible determinar una onda invariante de dispersión que da una imagen de la Osa Mayor al detector. En todos los casos, el haz de luz es casi idéntico al detector».
Una vista desde el interior de la celda
Este método de detección de patrones de luz que atraviesan un área relativamente ilesa se puede utilizar en procedimientos de imagen. «Los rayos X se utilizan en los laboratorios para ver a través del cuerpo porque tienen una longitud de onda más corta y pueden llegar a nuestra piel. Sin embargo, no solo la longitud de onda, sino también la forma de onda, determinan cómo una onda de luz penetra en un objeto», coincide Matthias Kühmayer, un estudiante de doctorado que trabaja en modelos informáticos de propagación de ondas. Nuestro enfoque abre posibilidades completamente nuevas si desea concentrar la luz dentro de un objeto en puntos específicos. Pudimos demostrar que la distribución de la luz dentro de la capa de óxido de zinc se puede regular con precisión utilizando nuestro método». Esto puede ser útil en estudios biológicos en los que se desea inyectar luz en puntos muy precisos para ver profundamente en las células.
La publicación conjunta de científicos de los Países Bajos y Austria demuestra la importancia de la colaboración internacional entre la teoría y el experimento para el avance en este campo de estudio.